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Engineering

作製と Van Der waals 力ヘテロエピタキシーに基づくフレキシブル強誘電性要素の測定法

Published: April 8, 2018 doi: 10.3791/57221
Automatic Translation
*1, *2, 1, 1, 3
1Key Laboratory of Low Dimensional Materials and Application Technology of Ministry of Education, Xiangtan University, 2Department of Physics, Indian Institute of Science, 3Department of Materials Science and Engineering, National Chiao Tung University
* These authors contributed equally

Summary

この稿ではプロトコルを提案直接まだエピタキシャル成長するフレキシブル リード ジルコニウム チタン酸メモリ要素雲母白雲母。

Abstract

柔軟な非揮発性メモリとして注目されている多くが適用されるポータブル スマート電子デバイスの将来は、高密度データ記憶域および低消費電力機能に依存します。ただし、フレキシブル基板上に高品質の酸化物ベースの不揮発性メモリは、材料特性と避けられない高温製造工程でならなくなっています。本稿で柔軟なエピタキシャル鉛ジルコニウム チタン酸メモリ要素雲母白雲母を直接成長するプロトコルを提案する.汎用性の高い成膜技術と測定法は、次世代のスマート デバイスに必要な柔軟かつ単結晶の非揮発性メモリ要素の作製を有効にします。

Introduction

柔軟な不揮発性記憶素子 (NVME) の作製は、フレキシブルな電子機器のポテンシャルを最大限に悪用する重要な役割を果たしています。NVME は、軽量、低コスト、低電力消費、高速スピード、データ ストレージ、情報処理と通信以外の高いストレージ密度機能を特徴とするでしょう。ペロブスカイト型 Pb (Zr, Ti) O3 (PZT) は、その大きな分極、高速偏光スイッチング、高キュリー温度、低保磁力、高圧電係数を考慮したこのようなアプリケーションのための人気のあるシステムとして機能します。強誘電体不揮発性メモリの外部電圧パルスは '0' と '1' で表される 2 つの安定な方向間 2 つ残偏波を切り替えることができます。非揮発性で、ナノ秒内に読み取り/書き込みプロセスを完了できます。有機1,2,3,4,5,6と無機7,8,9,10 NVME ,11,12,13,14,15強誘電性材料はフレキシブル基板上に試行されています。しかし、このような統合は高温成長も劣化したデバイスのパフォーマンス、リーク電流、電気ショートの粗い表面のためのだけでなく基板の無力によって制限されます。代替基板8が薄くなるような戦略の有望な結果にもかかわらず、フレキシブル基板15上のエピタキシャル層転送洗練されたマルチ ステップ プロセスの観点から制限されている生存率に苦しむ、転送、および限られた適用の可能性の予測。

前述の理由により、フレキシブルな電子機器を更に前進させるソフト基板の限られた熱・運用安定性を克服することができる適切な基板を探索するが重要です。自然な白雲母雲母 (KAl2(AlSi3O10) (OH)2) アトミック滑らかな表面、高い熱安定性、化学的不活性、高透明性、機械的柔軟性のようなユニークな機能を有する基板と現在の製造方法との互換性を使用して、効果的にこれらの問題に対処できます。もっとそう、単斜晶雲母の二次元層状構造は格子と基板効果をクランプを抑制することにより、条件に一致する熱を緩和する van der waals 力成長をサポートしています。これらの利点は、機能性酸化物16,17,18,19,20,21,の22、直接成長に悪用されています。 23白雲母に最近では、柔軟なデバイス アプリケーションの観点から。

ここで、まだフレキシブル リード ジルコニウム (pzt) 薄膜の作製は、雲母白雲母上にエピタキシャルを直接成長するプロトコルについて述べる.これは雲母、van der waals 力への結果の多彩な特性に依存するパルス レーザー成膜プロセスによって実現されます。このような捏造の構造は硬い単結晶基板上にエピタキシャル PZT のすべての優れた特性を保持し、優れた熱・機械的安定性を表わします。このシンプルで信頼性の高いアプローチ マルチ ステップ転送と戦略を間伐基板技術の優位性を提供しの前提条件となる待望柔軟かつ単結晶の非揮発性メモリ素子の開発が容易になります高性能な次世代のスマート デバイス。

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Protocol

1. 柔軟な PZT 薄膜の作製

  1. 雲母シートから 1 cm x 1 cm のマイカ基板をハサミでカットします。
  2. この 1 cm x 1 cm のマイカ基板を両面テープを使用して机の上修正します。
  3. ピンセットを使用して、剥離、雲母の層の所望の厚さ (50 μ m) までマイクロメータで測定します。
  4. これをたてに貼り付ける銀塗料の薄い層を使用して 5 ' 基板ホルダーにマイカ基板を劈開し、しっかりと雲母基板上に 10 分間ホット プレート上 120 ° C でそれを治します。
  5. PLD (パルス レーザー蒸着) 基板ホルダーを PLD チャンバーに入れ。
  6. 繰返し率 (例えば、10 Hz) を選択し、レーザーのエネルギー (例えば、300 mJ)。
  7. 集光レンズをセット ポジションに移動します。
  8. シャッターを開くし、預金 5 nm CoFe2O4 (CFO) [エネルギーをレーザー: 300 mJ、酸素圧力: 50 mTorr、試料温度: 590 ° C、成膜時間: 5 分] 薄膜のレーザー (図 1) をトリガーすることによってバッファー層として。
  9. 20-80 nm SrRuO3 (SRO) を預金 [レーザー エネルギー: 300 mJ、酸素圧力: 100 mTorr、試料温度: 680 ° C、成膜時間: 10-30 分] レーザー (をトリガーすることによってその後の電気的性能テストの下部電極として CFO バッファー層を図 1)。
  10. 150 のデポジット nm PZT [レーザー エネルギー: 300 mJ、酸素圧力: 100 mTorr、試料温度: 650 ° C、成膜時間: 60 分] SRO 下部電極上に薄膜のレーザー (図 1) をトリガーすることによって。
  11. N2チャンバーを発散し、温度が室内の温度に達したら PZT/マイカ サンプル (図 2) を削除します。
  12. ガラスの部分にサンプルを置きます。
  13. サンプルの上に 200 μ m 径のあらかじめデザインされたメッシュを置きます。よくメッシュを修正し、スパッタ室にメッシュのサンプルを置きます。
  14. 使用 DC スパッタ 10 mA、8 mbar (6 分) フィルムに Pt 上部電極を入金します。スパッタリングした後サンプルを削除します。
  15. ナイフまたは 20% のフッ酸を使用すると、1 mm × 1 mm の PZT セクションを削除できます。これ下 sro 表面電極を明らかにし、多くの小さなフレキシブル強誘電体キャパシタを形成するためです。
    注: は SRO 下部電極として育ち、DC は図 3に示すように PZT 薄膜の電子特性を測定する多くの小さなコンデンサーを形成するスパッタリングによる薄膜の電極上に Pt を入金します。
  16. 下部 sro 表面電極の電気伝導率を増加する露出 sro 表面に導電性銀のコートをペイントします。導電性の銀が露出した SRO を連絡できるを確認します。

2 強誘電体特性評価

  1. 曲げ試験
    1. 柔軟なサンプルの裏面には、1 つのステージから別のサンプルの簡単転送のサンプルと同じサイズの紙の部分に接着します。
    2. 強誘電体テスト システムや半導体デバイス ・ アナライザーのテスト基板上の PZT/マイカを配置します。
    3. 強誘電体テスト システムや半導体デバイス ・ アナライザーの 1 つの測定プローブを pt トップに置いて分極電界 (P E) ヒステリシス ループを取得する銀 SRO レイヤーに他の測定プローブを置くとサンプルは曲がった曲線を容量電界 (C E)。
      1. P-E ヒステリシス ループを 2 kHz の周波数で 2 つのプローブで測定し、4 で V. メジャー C E カーブの 2 つのプローブ周波数 1 MHz、削除対 4 ベンド解除したサンプル。
    4. 両面テープを使用して、必要な金型に柔軟な PZT/マイカ薄膜を保護します。測定の間に雲母の滑り/グライダーを避けるために注意してください。
    5. 強誘電体テスト システムや半導体デバイス ・ アナライザーのテスト基板にマウントしています。
    6. 他のプローブに触れる以前に使用した構成に類似したコーティング シルバー (ステップ 2.1.3) 下部 sro 表面電極間 pt トップに 1 つのプローブを置きます。
    7. P-E ヒステリシス ループと様々 な引張・圧縮曲げ半径 (図 4) の下で C E 曲線を測定します。
      1. 4 V、周波数 1 MHz で 2 つのプローブで 2 つのプローブ周波数 2 kHz、4 v. メジャー C E カーブと P-E ヒステリシス ループを測定します。
    8. P E C E 測定が完了したときは、柔軟な PZT サンプルを削除します。
  2. 熱安定性
    1. 強誘電体テスト システムや半導体デバイス ・ アナライザーのテスト基板上の PZT/マイカを置きます。
    2. Pt トップに 1 つの測定プローブを入れて、銀 SRO 層の他の測定プローブを置きます。
    3. サンプルを加熱する温度制御システムを開きます。
    4. 異なる温度 (25 ° C、50 ° C、75 ° C、100 ° C、125 ° C、150 ° C、175 ° C) で P E と C E の測定を実施します。
    5. 測定が行われた後、ヒーター アセンブリの電源を切ります。
  3. Cyclability 曲げ
    1. このセットアップの 2 つの溝に柔軟な PZT/マイカをマウントします。
    2. モーターの助けを借りてのもう一方の端が曲がっている間サンプルの一方の端を修正します。
    3. 曲げ加工 (図 5) 8 mm 前にモーターの移動 (曲げ) 方向に沿って PZT/マイカ長さを測定するのにには、定規を使用します。
    4. サンプルの数式によると 5 mm を曲げる動き長さ C を計算する: C=L-2Rsin(L/2R)、L は PZT/マイカ ベンド解除した状態での長さ、R は曲げ半径、C はモーターの移動距離。
    5. 曲げサイクル (1000) コンピューター (図 6) の数を設定します。
    6. 前後モーターの運動を開始する (図 6) の [スタート] ボタンをクリックします。
    7. サンプルを削除し、強誘電特性を保持するかどうかをチェックする P E を測定します。

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Representative Results

エピタキシャル PZT、SRO、CFO、雲母の薄膜は、ステップ 1 に記載されているパルス レーザー蒸着法と沈殿させた。成長スキーム図 1 図 2 PZT に基づいて実際の柔軟な不揮発性メモリ要素を示しています。

機械安定性、柔軟なデバイス アプリケーションの重要な側面です。曲げ引張・圧縮機械屈曲に対するヘテロ構造のマクロ強誘電性評価を行った。図 7 a及び 7 bは、圧縮・引張曲げ半径 (R) 様々 な PZT コンデンサーの P E と C E のヒステリシス ループを示します。図 7 cは、座って定数 P Pr、曲げ r 違いの下実験誤差範囲で Ecと静電容量値を示しています。対応する公称ひずみ値推定Equation 1、η tf /tSχ = = Yf /YSYfは PZT 層のヤング率と YSはヤングの雲母の係数はマークも。これらの結果は、PZT 薄膜キャパシタがラマン分光法20もチェックされたフレキシブル電子デバイス応用に必要な機械的な制約の下で安定した電気特性を維持することをお勧めします。

飽和と対称の分極電界強度 (P E) ヒステリシス ループと 1 MHz で気温は 25-175 ° C から新しいデバイスの測定ヘテロ構造の「蝶」曲線を持つ静電容量電気フィールド (C ・ E) が表示されます図 8 a 8 b、それぞれ。この強誘電体キャパシタ (P土) 飽和度一定偏波、残留分極 (Pr)、磁力 (Ec)、図 8 cに示すように、広い温度範囲で容量を表わします。ヘテロ構造はまた高い保持および 100 ° C20でだけでなく、室温では持久力を維持します。これらの結果は、PZT/マイカ ヘテロ構造が高温電子デバイスの潜在的なアプリケーションを持つことができることを意味します。

PZT/マイカ ヘテロ構造の実用的なアプリケーションを検証する一連の cyclability テストを行った。図 9は、1000 曲げサイクルの前後に両方の引張・圧縮ひずみ状態で P E ループを示します。P E ループを異なる曲げモードでは利便性のために垂直方向に転置されます。ヘテロ構造が曲げ半径曲げひずみに関係なく 5 mm で 1000 曲げサイクル後もその強誘電体の行動を保持することは注目に値するです。

Figure 1
図 1.雲母の柔軟なメモリ要素の成長スキーム。商工会議所を基本圧力 (~ 10-6 Torr) に避難し、590 ° C にサンプル温度を上げるCFO を成長する 50 mTorr に酸素圧力を調整します。680 ° C に温度を上げる、SRO を成長する 100 mTorr に酸素圧力を調整します。650 ° C に温度を下げるし、PZT を成長する 100 mTorr に酸素圧力を調整します。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

Figure 2
図 2.雲母の柔軟なメモリ要素の写真。柔軟なメモリ要素は簡単に曲げることができます。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

Figure 3
図 3.P-E ヒステリシス ループと C E 曲線を測定するスケマティック構成します。1 つのプローブを使用して他のプローブ接触 PZT 薄膜の電子特性を測定する膜上 Pt 上部電極間 SRO 下部電極にお問い合わせください。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

Figure 4
図 4.別の金型固定曲げ半径 (R) です。曲げ金型設計、製/引き込まれ autoCAD を使用して、3 D プリンターを使用して印刷します。これらの金型固定曲げ半径 (R) の報告された圧縮および引張曲げひずみを誘発する (R = ± 12.5 mm, ± 10.0 mm へ ± 7.5 mm、±5.0 mm, ± 2.5 mm 正 (負) の符号は引張 (圧縮) ひずみに対応して、ヘテロ構造ときに受けることそれらのマウント)。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

Figure 5
図 5.テスト サイクルの曲げを実行する段階を曲げヘテロ構造の長さ (C) は、ベンド解除した状態のルールで測定されます。曲げサイクル測定ホーム内蔵曲げセットアップ コンピューター援用を使用します。曲げのステージは、薄いシートを保持するために溝をつけた 2 本の腕で構成されます。片方の腕は、他の腕を移動して、コンピューターと接続したステッピング モーターで薄いシートを曲げることができます中に固定されています。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

Figure 6
図 6.曲げテストを実行するプロトコルをプログラムします。モータの動きを制御するのにコンピューター支援のホーム内蔵曲げセットアップを使用します。セットアップでは、曲げステージ 1 μ m ほどの変位により曲がってしまったサンプルの長さをことができます。1 つは、(2.3.4 参照) 曲げ半径を設定として曲げのサイクルを実行することができます。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

Figure 7
図 7.異なる曲げ半径の下強誘電体プロパティ。各種引張・圧縮曲げ半径の下で (、) の偏波および (b) 容量の電界依存性(c) 飽和分極 (P土)、残留分極 (Pr)、磁力 (Ec)、曲げ半径の関数としての容量。ひずみに対応する値は、(本文参照) も示されます。この図は、アクセス許可20に変更されています。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

Figure 8
図 8.高温下での強誘電体プロパティ。異なる温度で (、) の偏波および (b) 容量の電界依存性(c) P土PrEc静電容量の熱的進化。この図は、アクセス許可20に変更されています。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

Figure 9
図 9.サイクルを曲げ後の強誘電体プロパティ。10 〜 1000 曲げサイクルの前後に、P-E ヒステリシス ループ引張・圧縮曲げ半径 5 mm の下。この図は、アクセス許可20に変更されています。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

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Discussion

強誘電性要素の作製の重要なステップは、きれいとも/フラット基板表面の使用にあります。たて劈開マイカ表面は平坦ですが、表示される分裂を苦しみから表面を防止に注意を払う、PZT 層の堆積後層、クラック、インクルー ジョン等を分割する必要がある、サンプルは下に冷却された、高酸素圧下酸素空孔を減らすために (200-500 Torr)。元場トップ プラチナ電極は、多くの Pt、PZT、SRO コンデンサー素子を形成する定義済みメッシュを介して堆積しました。曲げ試験を行うには、サンプルは、サンプルの別の型の間の転送を有効にすると同様の寸法の紙に添付されました。機械的にサンプルを圧縮または引張状態下で歪み等金型は、3 D プリンターによって印刷されました。サイクリングのテスト中に試料の両端はしっかりと雲母の層の滑りを避けるために開催されました。

しかし、PLD 法の均一性の固有の小さな領域への大規模な生産の適用を制限します。亀裂なし雲母の良い作品を選択するプロセスは時間がかかるです。マイカを伸縮、圧縮、ことはできません、したがって雲母上に成長したデバイスを拡大または圧縮もできない.雲母に成長した材料の多くは、生産プロセスの複雑さを増加する質の良いフィルムを得るためにバッファー層を必要があります。これらの固有の問題は、フレキシブル デバイスの開発を制限します。従って、それは核生成と van der waals 力エピタキシャル成長時の成長を支配するメカニズムの詳細に理解するために必要なこれにこれらの問題を回避するためにファン ・ デル ・ ワールス-ヘテロ界面間を結合電子。

柔軟な NVME を実現するため現在雇用戦略には高分子基板の使用が含まれて基板または転送エピタキシャル技術の間伐。高分子基板は、優れた機械的コンプライアンスを展示にもかかわらず、低温安定性は否定的な方法でデバイスのパフォーマンスを影響します。また、薄く柔軟なポリマー基板15上のそれに続く転送やエピタキシャル成長基板8面倒な手順が含まれます。マイカ22,を含む van der waals 力エピタキシー23だけでなく格子、熱条件を軽減、また、基板クランプ エピタキシャル パフォーマンス メトリック システムを実現するための有益な効果を軽減単一結晶バルク対応 PZT/マイカに反映されるように匹敵します。さらに、2次元層状マイカ基板は、機械的および熱的制約に対して堅牢な強誘電性動作を維持無料立っているようなメモリ素子を実現する利点を与えます。PZT/マイカ システム20、さまざまな手法が上記の問題を回避するこれまでのすべての柔軟なメモリ要素において最高のパフォーマンスを持っています。

雲母の透明度は、透明な NVME を達成するために利用可能です。(準) van der waals 力エピタキシーの性質上、従来のエピタキシャル成長に固有の限られた材料の組み合わせを超える材料データベースを拡張できます。雲母に van der waals 力エピタキシーがデザインと柔軟な電子デバイスの次世代の開発の実質的な研究関心をトリガーすると予想されます。

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Disclosures

著者は開示する競合金融興味を持ってないです。

Acknowledgments

この作品は、国家自然科学基金、中国の (許可番 11402221 と 11502224)、状態キー研究所の強烈なパルス放射シミュレーション効果 (SKLIPR1513) と湖南地方キー研究と開発計画 (号によって支えられました。2016 週 2014)。

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Equipment
hot plate Polish P-20
PLD system PVD products PLD 5000
Ferroelectric test system  Radiant Technologies Precisions workstations  RT66A
Semiconductor device analyzer  Agilent  B1500A
Bending molds home-made Machined teflon material
Bending stage home-built Labview interfaced setup which provides a prescise displacemnt as small as 1 micrometer
Sputtering system Beijing Elaborate ETD-3000
Materials
mica(001) sheets Nilaco corporation  990066
conductive silver paint Ted Pella, INC No.16033
CoFe2O4 target Kurt J.Lesker
SrRuO3 target Kurt J.Lesker
PbZr0.2Ti0.8O3 target Kurt J.Lesker
Pt target Hefei Ke jing

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References

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エンジニア リング、問題 134、フレキシブルな電子機器、柔軟な不揮発性メモリ、白雲母雲母、ヴァン der Waals エピタキシー
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Jiang, J., Bitla, Y., Peng, Q. x., Zhou, Y. C., Chu, Y. H. A Fabrication and Measurement Method for a Flexible Ferroelectric Element Based on Van Der Waals Heteroepitaxy. J. Vis. Exp. (134), e57221, doi:10.3791/57221 (2018).

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